Производство по чертежам Подбор аналогов Цены производителя Оригинальная продукция в короткие сроки
INNER — производство и поставка промышленных комплектующих и оборудования
INNER
Контакты

Токовая петля 4–20 мА: схема подключения датчиков

Токовая петля 4–20 мА

Пересчёт тока в физическую величину и диагностика обрыва по NAMUR NE43
Учебная модель токовой петли: пороги по рекомендации NAMUR NE43, значения конкретных датчиков смотрите в паспорте. Все тренажёры inner.su.

Токовая петля 4–20 мА — самый распространённый способ передать показания датчика в контроллер: ток в проводах несёт значение давления, температуры или уровня. В тренажёре сигнал 4–20 мА живой: двигаете давление или температуру, и видно, какой ток идёт в петлю, что покажет ПЛК и как диагностика ловит обрыв линии. Рядом собирается схема подключения датчиков 4–20 мА: два, три или четыре провода, активный или пассивный вход, блок питания и длина кабеля. Если напряжения не хватает, ток упирается в предел — это видно сразу, без расчёта на бумаге.

Сигнал 4–20 мА: шпаргалка

На всю шкалу датчика приходится 16 мА, по 1/16 диапазона на миллиампер: ток 4 мА — начало, 12 мА — середина, 20 мА — конец. Ниже — что покажет программа без проверки тока для датчика давления 4–20 мА на 0–10 бар и какое напряжение ток даёт на входном резисторе. Строки с обрывом и отказом показывают, почему проверка нужна: без неё ложные значения выглядят правдоподобно.

Ток, мАПересчёт без проверки, 0–10 барНа 250 ОмНа 500 ОмЧто это
0−2,5 бар0 В0 Вобрыв линии
3,6−0,25 бар0,9 В1,8 Впорог отказа по NE43
40 бар1 В2 Вначало шкалы
125 бар3 В6 Всередина
2010 бар5 В10 Вконец шкалы
2110,63 бар5,25 В10,5 Впорог отказа сверху

Как перевести 4–20 мА в давление и другие величины

Выходной сигнал 4–20 мА линейно связан с измеряемой величиной. Датчик давления в документации часто называют преобразователем давления 4–20 мА: он превращает давление в ток. Контроллер пересчитывает ток обратно по формуле X = Xmin + (I − 4) / 16 × (Xmax − Xmin). Пример: датчик с выходом 4–20 мА на 0–10 бар выдаёт 9,2 мА, значит давление равно (9,2 − 4) / 16 × 10 = 3,25 бар. Для датчика температуры 4–20 мА на −50…+150 °C середина шкалы, 12 мА, — это 50 °C, а не 100: начало шкалы отрицательное, и про него легко забыть.

Так же устроены датчик уровня 4–20 мА и расходомеры 4–20 мА — меняются только Xmin и Xmax. В тренажёре есть все четыре случая, а блок «Проверь себя» задаёт три типа задач: ток в величину, величину в ток и напряжение на резисторе.

Почему 4, а не 0: диагностика по NAMUR NE43

Диапазон 4–20 мА начинается не с нуля нарочно. Обрыв даёт 0 мА, а исправный датчик меньше 3,8 мА не выдаёт, поэтому программа отличает поломку от начала шкалы. По рекомендации NAMUR NE43 измерение достоверно в пределах 3,8–20,5 мА, а ток не выше 3,6 мА или не ниже 21 мА означает отказ. При 0–20 мА обрыв выглядит как ноль давления, и это правдоподобное, но ложное значение.

Токовая петля: схема подключения датчиков 4–20 мА

Схема подключения 4–20 мА зависит от числа проводов датчика. Двухпроводный датчик питается от самой петли: датчик, источник и вход ПЛК соединены последовательно в одну цепь, а напряжение даёт отдельный блок питания или активный вход контроллера. Трёхпроводный датчик питается от отдельного источника с общим минусом, четырёхпроводный — от своей сети, и его выход 4–20 мА полностью отдельный. Правило простое: пассивный датчик — к активному входу или через блок питания, активный датчик — только к пассивному входу. Тип входа 4–20 мА — активный или пассивный — указан в паспорте модуля ПЛК.

Аналоговый вход 4–20 мА — встроенный канал или отдельный модуль в корзине ПЛК — измеряет ток по напряжению на своём резисторе. Перепутанная пара «активный датчик плюс активный вход» — частая ошибка монтажа: два источника работают друг против друга. Тренажёр показывает это на схеме вместе с полярностью клемм.

Питание петли и длина линии: разобранный пример

Двухпроводному датчику нужно не меньше Umin на клеммах, обычно 10–12 В. Остальное напряжение питания петли 4–20 мА расходуется на входе ПЛК и в кабеле, поэтому допустимое сопротивление считают так: Rmax = (U − Umin) / 22 мА, с запасом на ток отказа. При блоке 24 В и Umin 12 В это около 545 Ом. Вход 250 Ом и кабель 2 × 100 м сечением 0,5 мм² (7 Ом) укладываются с большим запасом.

Теперь вход 500 Ом и линия 2 км сечением 0,5 мм², то есть 140 Ом: всего 640 Ом, больше допустимого. Ток упрётся в 18,75 мА, и верх шкалы контроллер не увидит: показания будут занижены, хотя датчик исправен.

4–20 мА в 0–10 В и другие преобразования

Напряжение из сигнала 4–20 мА получают резистором по закону Ома: на 250 Ом выходит 1–5 В, на 500 Ом — 2–10 В. Ровно 0–10 В резистором не получить: ноль шкалы всё равно даёт 2 В. Для этого нужен активный преобразователь сигнала 4–20 мА — он сдвигает и растягивает шкалу. Обратную задачу решает преобразователь напряжения в ток 4–20 мА, а термопреобразователь 4–20 мА рядом с датчиком позволяет не тянуть до шкафа длинную линию от термосопротивления.

Калибратор токовой петли и проверка канала ПЛК

Измерение сигнала 4–20 мА проверяют калибратором. Калибратор токовой петли работает как генератор 4–20 мА: подаёт 4, 12 и 20 мА, а наладчик смотрит, что показывает программа. В тренажёре это режим «Калибратор: задаю ток», а рядом — готовый код проверки на языке ST. Поверх аналогового сигнала 4–20 мА может идти цифровой HART — он не мешает измерению. Сравнение RS-485 / 4–20 мА простое: цифровой интерфейс передаёт много значений по одной линии, а токовая петля — одно, зато проще в наладке и сразу показывает обрыв.

Частые вопросы

Что такое токовая петля 4–20 мА?

Это последовательная цепь из источника, датчика и входа контроллера, в которой величину передаёт ток. Ток в последовательной цепи одинаков в любой точке, поэтому сопротивление проводов сигнал не искажает, пока хватает напряжения.

Чем 4–20 мА лучше сигнала 0–10 В?

Сигнал напряжения падает на длинном кабеле и чувствителен к наводкам, а ток в петле остаётся тем же. Кроме того, у 4–20 мА есть живой ноль: обрыв виден сразу, а у 0–10 В ноль вольт и обрыв неотличимы.

Сколько проводов у датчика 4–20 мА?

Два, три или четыре. Двухпроводный питается от петли, у трёхпроводного отдельное питание с общим минусом, у четырёхпроводного своё питание и отдельный выход.

Какой резистор нужен, чтобы измерить ток 4–20 мА?

Часто ставят 250 Ом: он даёт 1–5 В. Резистор 500 Ом даёт 2–10 В, но съедает больше запаса напряжения петли. Сопротивление входа конкретного модуля ПЛК указано в паспорте.

Что такое сигнал 4–20 мА HART?

Это цифровая связь поверх того же тока: небольшая модуляция не меняет среднее значение, и измерение 4–20 мА продолжает работать. По HART читают диагностику и настраивают датчик.

Почему датчик показывает больше 20 мА?

До 20,5 мА — это насыщение, когда величина вышла за верх шкалы. От 21 мА и выше датчик по NE43 сообщает об отказе — или в линии замыкание.

Не путать: «токовая петля 20 мА» — ещё и старый интерфейс последовательной передачи данных для телетайпов и терминалов, а «петля фаза — ноль» — измерение в электробезопасности. Эта страница — об аналоговом сигнале 4–20 мА в автоматике.
Учебный инструмент: модель упрощена. Пороги отказа, минимальное напряжение и допустимую нагрузку конкретного датчика смотрите в паспорте; HART, гальваническая развязка и контуры заземления не моделируются, ток при замыкании показан условно. Ответственность за применение результатов несёт пользователь.
Источники
  1. NAMUR NE 43:2003. Standardization of the signal level for the failure information of digital transmitters.
  2. IEC 60381-1:1982. Analogue signals for process control systems. Direct current signals.
  3. ГОСТ 26.011-80. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные.
  4. ГОСТ IEC 61131-2-2012. Контроллеры программируемые. Требования к оборудованию.
  5. ГОСТ 22483-2012. Жилы токопроводящие для кабелей, проводов и шнуров.
  6. ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016. Контроллеры программируемые. Языки программирования.
  7. Клюев А. С. и др. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования. М.: Энергоатомиздат, 1989.
  8. Шишмарёв В. Ю. Технические измерения и приборы. М.: Академия, 2010.
  9. FieldComm Group. HART Communication Protocol Specification.

Заказать товар

ООО «Иннер Инжиниринг»